水合物层下伏游离气渗漏过程的数值模拟及实例分析

海洋环境中天然气水合物层是理想的毛细管封闭层,游离气被抑制在水合物层下,游离气层的气体压力随气体聚集和气层厚度的增加而升高,当气压超过封闭层的毛细管力时,游离气会克服毛细管进入压力、刺入上伏封闭层孔隙空间,毛细管封闭作用随之消失,从而形成水合物下伏游离气向海底的渗漏.通过对该过程进行的数值模拟计算表明：渗漏气体是以活塞式驱动上伏沉积层中的孔隙水向海底排出,水合物稳定带内流体渗漏速度随水流柱高度的减小而增加,当水流阻抗大于相应沉积层段的静岩压力时,沉积层将转变为流沙,流沙沉积被海流移除后便在海底留下凹陷麻坑.麻坑形成后流体运移通道演化为气体通道,气体快速排放.麻坑深度主要取决于游离气层的厚度和水合物封闭层（底界）的深度,而与沉积层的渗透率无关.麻坑深度一定程度上指示了渗漏前水合物层下伏游离气层的资源量.对布莱克海台海底麻坑深度的数值模拟计算表明,形成4 m深的海底麻坑需要至少22 m厚的游离气层.     

海底滑坡对天然气水合物和游离气分布及富集的影响

三维地震和随钻测井数据表明在珠江口盆地南部发育了海底滑坡、天然气水合物和游离气,是研究海底滑坡对天然气水合物和游离气分布与富集影响的典型区域.本文基于有效介质模型与阿尔奇方程计算了饱和水层的纵波速度和电阻率,并与实测的纵波速度和电阻率对比,识别了天然气水合物层和多个游离气层.结合三维地震数据的相干、振幅等属性变化,发现海底滑坡不同位置天然气水合物、游离气和断层的空间分布存在差异.由于海底滑坡侵蚀作用导致天然气水合物稳定带底界下移,当相对富砂储层位于新调整的稳定带底界之上,并且局部发育的断层连通了游离气层时,水合物广泛分布;而稳定带底界下方缺乏断层的区域,游离气缺乏向上运移的有利通道,被圈闭在相对较深的地层,水合物并不发育.该研究为进一步探讨水合物和游离气的分布与海底滑坡作用的关系提供了直接证据,并为水合物与游离气合采目标的探寻提供思路.     

南海北部神狐海域甲烷水合物BHSZ与BSR的比较研究

天然气水合物(主要是甲烷水合物)因其重要的资源、环境意义越来越受人们关注.其在海底沉积物中的稳定存在及分布受温度、压力、甲烷供应量等因素的控制,勘探工作中,经常把似海底反射层(BSR)对应于甲烷水合物的稳定带底界(BHSZ).通过对南海北部地区甲烷水合物BHSZ与BSR的对比研究,我们发现在南海北部部分地区二者并不一致,二者之间的误差较大且呈一定的规律性分布,在神狐地区北部,水深较浅、沉积速率较快,BHSZ与BSR的误差为负,绝对值达192%;而在水深较深、基底为隆起的、沉积速率相对慢的神狐东南部,BHSZ与BSR的误差逐渐过渡到为正值,误差约为45%,我们综合分析了由速度-深度关系、BSR深度处反射时间、海底温度、平均热导率、静水/静岩压力模型、水合物稳定P-T方程等参数、流体活动性等计算参数可导致的的误差范围,最后认为导致BHSZ与BSR之间误差的主要因素可能是对BSR的理论认识上,在南海北部地区地震反射识别的部分BSR对应的可能是游离气带顶界(TFGZ)或古BSR或仅仅是由近水平地层或不整合面封存的含气层,而非传统意义上对应于BHSZ的BSR.而造成BHSZ与BSR规律性分布的基础地质因素则可能为在张裂基底上不同构造部位发育的不同的沉降、沉积过程及其热响应,进而造成不同的甲烷生成量、聚集量以及不同的水合物系统相对沉积物的迁移速率,最后产生不同深度的游离气顶界或不同深度的残留异常"古BSR"或含气层.     

海洋天然气水合物的地球物理研究(Ⅳ):双似海底反射

由于双似海底反射可望指示一个动态演化的天然气水合物-游离气体系特征，这一重要问题的研究非常有意义。目前在世界上有两个双似海底反射分布区最为典型，一是挪威西部大陆边缘，另一个为东南海海槽大陆边缘，对双BSR的解释，主要有两种，一种是残留BSR，对应古温压条件下天然气水合物稳定带底界的反射，另一种是混合气体水合物沉积的底界反射。阐明双似海底反射层空间分布特征与其成因，建立动态演化的天然气水合物-天然气体系模型，可为深入了解天然气水合物形成机制、分布规律及其地质历史中的演变提供重要的科学基础。     

海洋天然气水合物的地球物理研究(III):似海底反射

对天然气水合物研究中与似海底反射有关的一些观点进行讨论 ,以推动天然气水合物地震研究的认识 .30年的似海底反射研究表明 ,似海底反射仍然是指示天然气水合物沉积存在的最好手段之一 .有似海底反射 ,是可以认为存在天然气水合物的 .虽然存在“游离气带速度模型”与“水合物楔速度模型” ,但似海底反射主要由天然气水合物稳定带底界下方的游离气引起 .BSR上方的天然气水合物、下方的游离气与天然气再循环和含甲烷的流体流有关 .由于天然气水合物稳定带计算控制因素难以准确确定等因素 ,似海底反射与天然气水合物稳定带底界只是近似的对应关系 .需从动态的观点考虑天然气水合物 天然气体系及其与似海底反射的关系 .     

尼日尔三角洲天然气水合物体系地震特征研究

天然气水合物体系一般由地震上的似海底反射层BSR和下伏强振幅带(解释为游离气FGZs)所指示,但并非所有BSR及下伏强振幅带都与水合物和游离气有关.本文通过提取多种属性剖面,优选出视极性属性来辅助判断与水合物有关的BSR和下伏FGZs.—般来说,BSR和FGZs的顶部反射层表现为负视极性、高振幅的强反射特征.研究发现,尼日尔三角洲南部的水合物主要分布在与重力作用有关的生长断层及伴生的滚动背斜地区,广泛发育的断层、气烟囱、不整合面,以及砂岩层都可作为流体运移通道.除为水合物体系提供气源,这些流体运移通道还在水合物分解或FGZs超压时发挥作用,使游离气沿通道在FGZs和含水合物地层间循环,部分游离气可运移至海底进入海水甚至大气中·总之,视极性是判断水合物相关地震指示标志的有效属性,流体运移通道对尼日尔三角洲的水合物成藏具有重要作用.     

海洋天然气水合物的地球物理研究(Ⅲ):似海底反射

对天然气水合物研究中与似海底反射有关的一些观点进行讨论，以推动天然气水合物地震研究的认识．30年的似海底反射研究表明，似海底反射仍然是指示天然气水合物沉积存在的最好手段之一．有似海底反射，是可以认为存在天然气水合物的．虽然存在“游离气带速度模型”与“水合物楔速度模型”，但似海底反射主要由天然气水合物稳定带底界下方的游离气引起．BSR上方的天然气水合物、下方的游离气与天然气再循环和含甲烷的流体流有关．由于天然气水合物稳定带计算控制因素难以准确确定等因素，似海底反射与天然气水合物稳定带底界只是近似的对应关系．需从动态的观点考虑天然气水合物．天然气体系及其与似海底反射的关系．     

青藏高原冻土带天然气水合物的形成条件与分布预测

冻土带是天然气水合物发育的两个重要地质环境之一.青藏高原平均海拔在4000m以上,多年冻土面积约1.4×106km2.本文根据青藏高原冻土层厚度和地温梯度特征,运用天然气水合物的热力学稳定域预测方法,确定中低纬度高海拔区冻土带天然气水合物的产出特征.青藏高原多年冻土带热成因天然气水合物形成的热力学相平衡反映,水合物顶界埋深约27~560m,底界埋深约77~2070m.初步计算表明,青藏高原冻土带水合物天然气资源约1.2×1011~2.4×1014m3.在冻土层越厚、冻土层及冻土层之下沉积层的地温梯度越小的地区,最有利于天然气水合物的发育.气温的季节性变化对天然气水合物影响不大.在全球气温快速上升的背景下,青藏高原天然气水合物将处于失稳状态,天然气水合物顶界下降、底界上升,与冻土带的退化相似,分布区逐渐缩小,最终将完全消失.     

利用AVO理论识别MTD与BSR的技术方法

似海底反射层(BSR)是识别天然气水合物最为有效的标志,是由于天然气水合物地层与下伏游离气地层存在波阻抗差异形成的,与地质产状无关.而块体搬运沉积体系(MTDs)是一种常见的陆坡沉积作用,与地质产状有关.MTD在地震剖面上形成的地震反射特征和水合物形成的地震反射特征(BSR)存在极大的相似性:负极性、强反射、其上方存在空白带等特征.一般来说可以通过地质解释、测井识别等方法对MTD与BSR进行区分.本文尝试利用AVO技术对MTD与BSR进行识别.首先对存在MTD与BSR的CDP道集进行单点AVO特征分析,然后根据AVO分析结果对AVO属性进行交汇分析,从而区分MTD和BSR.在实际地震资料中得到了很好的效果,发现MTD属于第四类AVO特征,BSR属于第三类AVO特征,从而验证了该方法的可行性.     

海洋环境甲烷水合物溶解度及其对水合物发育特征的控制

除合适的温度和压力条件外,甲烷水合物的形成还需要有充足的甲烷供给,沉积物孔隙水中的甲烷浓度必须大于甲烷水合物的溶解度.本文建立了水合物－水－游离气三相体系、水合物－水二相体系、气－水二相体系的甲烷溶解度计算优选方法,计算确定了水合物系统的甲烷溶解度-深度相图,依此划分出游离气、溶解气、水-水合物、水-水合物-游离气四个甲烷不同相态分布区.对水合物脊ODP1249和1250钻位、布莱克海台ODP997钻位稳定带甲烷水合物含量和稳定带之下游离气含量进行了计算.ODP1249浅部13.5～72.4 mbsf(mbsf表示海底以下深度)的甲烷水合物是沉积物孔隙体积的10%～61%,ODP1250钻位35～1065 mbsf的甲烷水合物约为孔隙体积的0.7%～1.9%,水合物层之下游离气层厚约22 m,游离气含量约占孔隙的4%.布莱克海台ODP997钻位的浅部146.9 mbsf处无水合物发育,202.4～433.3 mbsf之间水合物占孔隙体积的约5%～7%,水合物层之下游离气层厚约80 m,游离甲烷含量为孔隙的0.2%～28%.     

南海北部东沙海域天然气水合物的初步研究

利用地震、测井与地温资料综合分析了南海北部东沙海域可能存在的天然气水合物的分布特征.研究表明,在东沙海域地震剖面上出现似海底反射层、弱振幅带等天然气水合物分布标志,在声波测井曲线上呈现高速、速度倒转等天然气水合物存在特征.似海底反射层的深度与1144站位,及平均地温梯度资料得出的稳定带厚度较吻合.1144站位与1148站位似海底反射层距海底较深,分别为654m与475m.在1144站位附近,弱振幅带的顶界可能代表含天然气水合物沉积层的顶界,约在450m左右.     

Application of AVO analysis to gas hydrates identification in the northern slope of the South China Sea

Amplitude versus offset (AVO) analysis is a conventional seismic exploration technique in geophysical and lithological interpretation and has been widely used in onshore and offshore exploration. Its use in marine gas hydrate research, however, is still in initial stages. In this study, AVO analysis is applied to seismic profiles at drilling sites where hydrate samples have been recovered. The AVO responses of free gas, bottom simulating reflector (BSRs), and gas hydrates are discussed, and the AVO attributes in relation to gas hydrates are summarized. The results show that changes in intercept, gradient, fluid factor and Poisson’s ratio clearly reflect: (i) location of free gas and the BSR, and (ii) spatial relations between blank zone, BSR, gas hydrate, and free gas.     

琼东南盆地天然气水合物及其成藏模式的海洋可控源电磁研究

南海琼东南盆地是天然气水合物重要远景区之一.由于盆地大部分地区海底地形平缓、地层近于水平,增加了利用地震反射剖面识别似海底反射（BSR,bottom simulating reflector）的难度,从而影响了对水合物的评价.为了进一步开展琼东南盆地水合物调查研究,本文在研究海域进行了海洋可控源电磁探测试验,将自主研发的10台接收机以500 m的间距,投放至水深约为1360 m的海底,完成了一条4.5 km剖面的电磁数据采集.通过对采集的数据进行处理与二维（2D）反演,获得了研究剖面海底的电阻率断面图.反演结果显示,研究区海底60~330 mbsf（meter bottom of seafloor）的地层中,存在多个横向不连续分布的高阻异常体,电阻率介于2~10 Ωm之间;在海底330 mbsf之下,横向上发育了电阻率为2~4 Ωm的3个高阻体.根据研究区热力学条件,本文估算了生物成因气与热成因天然气的水合物稳定带（GHSZ,gas hydrate stability zone）厚度,结合高阻体的分布特征推断了地震剖面上BSR的位置.在此基础上,对反演的电阻率断面进行解释,推断了研究区水合物的分布及游离气运移通道.研究表明,勘探区具有形成天然气水合物矿藏的地质与地球物理条件,其成藏模式可能属于"断层、裂隙输导的下生上储型",水合物的气源为生物成因气.     

海底天然气水合物层界面反射AVO数值模拟

本文采用AVO数值模拟方法,共选取水合物系统分层结构6个模型,对水合物、游离气和饱水沉积物接触界面的反射特征进行了数值模拟,研究了BSR及双BSR的存在条件与水合物体系垂向分布的关系,对一些现象从理论上进行了阐明.主要结论是：（1）强的似海底反射界面BSR与游离气体的存在密不可分,实际地震剖面中的“BSR”可能不对应水合物而只对应气体,无明显BSR的地方可能有水合物.（2）水合物顶部有可能存在游离气体,它可以在正常BSR（BSR1）之上形成另一个具有正极性的似海底反射界面BSR2.（3）正常BSR之下的双BSR（BSR0）其弹性机理有两种可能,一是水合物之下游离气上升迁移遇到某种阻隔层或不同气体组分的自然分层所造成的气体垂向分布的梯度性差异;二是当水合物之下的游离气体中存在残存的水合物时,同样会形成一定强度的似海底反射,在这种情形下BSR0的极性比较难以判断,取决于残存水合物上下游离气的饱和度和残存水合物的厚度.     

Attenuation tomography: An application to gas-hydrate and free-gas detection

We estimate the quality factor (Q) from seismic reflections by using a tomographic inversion algorithm based on the frequency‐shift method. The algorithm is verified with a synthetic case and is applied to offshore data, acquired at western Svalbard, to detect the presence of bottom‐simulating reflectors (BSR) and gas hydrates. An array of 20 ocean‐bottom seismographs has been used. The combined use of traveltime and attenuation tomography provides a 3D velocity–Q cube, which can be used to map the spatial distribution of the gas‐hydrate concentration and free‐gas saturation. In general, high P‐wave velocity and quality factor indicate the presence of solid hydrates and low P‐wave velocity and quality factor correspond to free‐gas bearing sediments. The Q‐values vary between 200 and 25, with higher values (150–200) above the BSR and lower values below the BSR (25–40). These results seem to confirm that hydrates cement the grains, and attenuation decreases with increasing hydrate concentration.     

The impact of faulting on the stability conditions of gas hydrates in Lake Baikal sediments

The phase transition problem of methane hydrate in porous sediments is solved. Based on the obtained solution, the impact of faulting on the stability conditions of gas hydrates is investigated by the numerical modeling of the filtration and thermal regimes in the sedimentary cover of the Central Basin of Lake Baikal within the segment of the anomalous behavior of the bottom simulating reflector (BSR). It is assumed that such behavior is caused by the tectonic action. The calculations testify to the plausibility of the proposed model of formation of the anomalous area with total decomposition of the contained hydrates. It is shown that dissociation of gas hydrates in sediments due to faulting and the subsequent uplift of the products of these transformations along the incipient channel toward the bottom of the lake can result in the extensive accumulation of gas hydrates on this surface. It is also shown that if the total amount of the free gas, which left the hydrate dissociation zone, reached the level of the lake surface at normal pressure and temperature, its volume could be equivalent to the resources of a medium-size gas field. The results of numerical modeling the violation of the gas-hydrate stability conditions in Lake Baikal sediments can also be valid for the other regions with hydrate-bearing sediments if the case specific conditions and regional tectonic activity are taken into account.     

含天然气水合物沉积物的岩石物性模型与似海底反射层的AVA特征

研究含天然气水合物沉积物的岩石物性模型与似海底反射层的振幅随入射角变化(AVA)特征. 基于时间平均-Wood加权方程、三相介质波传播理论模型和弹性模量模型,计算并阐述含天然气水合物岩石弹性参数与水合物饱和度、含游离气岩石弹性参数与游离气饱和度的关系;给出不同模型AVA特征. 结果表明,不同天然气水合物饱和度、不同游离气饱和度的各种组合呈现形态相似但反射系数值不同的AVA特征.     

AVO study of a gas-hydrate deposit, offshore Costa Rica

Amplitude variation with offset (AVO) analysis and waveform inversion are techniques used to determine qualitative or quantitative information on gas hydrates and free gas in sediments. However, the quantitative contribution of gas hydrates to the acoustic impedance contrast observed at the bottom‐simulating reflector and the reliability of quantitative AVO analyses are still topics of discussion. In this study, common‐midpoint gathers from multichannel wide‐angle reflection seismic data, acquired offshore Costa Rica, have been processed to preserve true amplitude information at the bottom‐simulating reflector for a quantitative AVO analysis incorporating angles of incidence of up to 60°. Corrections were applied for effects that significantly alter the observed amplitudes, such as the source directivity. AVO and rock‐physics modelling indicate that free gas immediately beneath the gas‐hydrate stability zone can be detected and low concentrations can be quantified from AVO analysis, whereas the offset‐dependent reflectivity is not sensitive to gas‐hydrate concentrations of less than about 10% at the base of the gas‐hydrate stability zone. Bulk free‐gas saturations up to 5% have been determined from the reflection seismic data assuming a homogeneous distribution of free gas in the sediment. Assuming a patchy distribution of free gas increases the estimated concentrations up to 14%. There is a patchy occurrence of bottom‐simulating reflectors south‐east of the Nicoya Peninsula on the continental margin, offshore Costa Rica. AVO analysis indicates that this phenomenon is related to the local presence of free gas beneath the gas‐hydrate stability zone, probably related to a focused vertical fluid flow. In areas without bottom‐simulating reflectors, the results indicate that no free gas is present.